In de race om materialen te vinden die steeds dunner worden, oppervlakte en geleidbaarheid om beter presterende batterijelektroden te maken, een klomp klei had misschien net de leiding genomen. Materiaalwetenschappers van Drexel University's College of Engineering hebben de klei uitgevonden, die zowel zeer geleidend is als gemakkelijk in verschillende vormen en maten kan worden gegoten. Het vertegenwoordigt een ommezwaai van de nogal gecompliceerde en kostbare verwerking - die momenteel wordt gebruikt om materialen voor lithium-ionbatterijen en supercondensatoren te maken - en naar een die een beetje lijkt op het uitrollen van koekjesdeeg met resultaten die nog zoeter zijn vanuit het oogpunt van energieopslag.

Met de publicatie van hun recept voor "geleidende MXene-klei" in de editie van 1 december van Natuur , de onderzoekers suggereren een significante verschuiving in de manier waarop elektroden voor opslagapparaten worden geproduceerd.

de klei, die al een geleidbaarheid vertoont die vergelijkbaar is met die van metalen, kan worden omgezet in een film - bruikbaar in een elektrode - gewoon door erop te rollen of te drukken.

"Zowel de fysieke eigenschappen van de klei, bestaande uit tweedimensionale titaniumcarbidedeeltjes, evenals zijn prestatiekenmerken, lijken het een uitzonderlijk levensvatbare kandidaat te maken voor gebruik in energieopslagapparaten zoals batterijen en supercondensatoren, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Trustee Chair professor aan het College of Engineering, en directeur van de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut, wie is een co-auteur van het papier. "De procedure om de klei te maken gebruikt ook veel veiliger, gemakkelijk beschikbare ingrediënten dan degene die we in het verleden gebruikten om MXene-elektroden te produceren."

De sleutel tot het nut van dit materiaal, volgens Michel Barsoum, doctoraat, Distinguished professor aan het College of Engineering en een van de uitvinders van MXenes, is in zijn vorm.

"Zoals iedereen die met modder heeft gespeeld kan bevestigen, klei is hydrofiel - waterminnend, " Barsoum zei. "Klei is ook gelaagd en wanneer gehydrateerd, de watermoleculen glijden tussen de lagen en maken het plastic dat op zijn beurt gemakkelijk kan worden gevormd tot complexe vormen. Hetzelfde gebeurt hier; wanneer we water toevoegen aan MXene, water dringt tussen de lagen door en geeft het resulterende materiaal plasticiteit en vormbaarheid. Grafeen - een materiaal dat veel is bestudeerd voor gebruik in elektroden - aan de andere kant, is geleidend maar houdt niet van water - het is hydrofoob. Wat we ontdekten is een geleidend tweedimensionaal gelaagd materiaal dat ook van water houdt. Het feit dat we onze elektroden nu snel en efficiënt kunnen rollen, en geen bindmiddelen en/of geleidende additieven hoeven te gebruiken, maakt dit materiaal behoorlijk aantrekkelijk vanuit het oogpunt van massaproductie."

De ontdekking kwam tot stand terwijl Michael Ghidiu, een doctoraatsstudent geadviseerd door Barsoum en Gogotsi in de afdeling Materials Science and Engineering bij Drexel, was een nieuwe methode aan het testen voor het maken van MXenes - tweedimensionale materialen die zijn uitgevonden bij Drexel en die tot de belangrijkste kandidaten behoren voor gebruik in batterijen en supercondensatoren van de volgende generatie.

enigszins afwijkend van het oorspronkelijke chemische etsproces dat bij Drexel werd gepionierd, die gebruik maakt van zeer giftig fluorwaterstofzuur, Ghidiu gebruikte in plaats daarvan een fluoridezout en zoutzuur om aluminium te etsen uit een op titanium gebaseerde, gelaagd keramisch materiaal dat een MAX-fase wordt genoemd - ook ontdekt bij Drexel door Barsoum. Deze twee ingrediënten, die bekende namen zijn in de chemieklasse en ook veel veiliger te hanteren zijn dan fluorwaterstofzuur, reduceerde de MAX-fase tot een stapel zwarte deeltjes. Om de reactie te stoppen en eventuele resterende chemicaliën te verwijderen, Ghidiu waste het materiaal in water. Maar in plaats van de bekende gelaagde MXene-deeltjes te vinden, hij ontdekte dat het geëtste sediment het water absorbeerde om een ​​kleiachtig materiaal te vormen.

"We verwachtten een iets ander materiaal uit het nieuwe proces te vinden, maar niets zoals dit, " zei Ghidiu. "We hoopten gewoon op een veiliger, goedkopere manier om MXenes te maken, toen er nog iets beters op tafel kwam."

Een van de eerste tests die het team op de klei uitvoerde, was om te zien of het in een dunne laag kon worden geperst met behoud van zijn geleidende eigenschappen - per slot van rekening het oorspronkelijke doel was om een ​​geleidende film te maken.

"Klei tot een film kunnen rollen is nogal een contrast in productietijd, veiligheid en kosten in vergelijking met de twee meest voorkomende praktijken voor het maken van elektrodematerialen, "Zei Ghidiu. "Zowel het ets- als het afpelproces dat wordt gebruikt om MXenes te maken, en een schilfering, filtratie- en afzettingsmethode, zoals bij het maken van papier, maken gebruik van sterke zuren en zijn kostbaar, minder gangbare materialen. Het maken van klei is veel eenvoudiger, sneller en veiliger."

Met de nieuwe ontdekking al deze stappen worden vermeden, de verwerking aanzienlijk vereenvoudigen. Nu kunnen de onderzoekers eenvoudig de MAX-fase etsen, was het resulterende materiaal en rol de resulterende klei in films van verschillende diktes.

"Ik zou zeggen dat het belangrijkste voordeel van de nieuwe methode - naast de verhoogde capaciteit - is dat we nu een elektrode in ongeveer 15 minuten gebruiksklaar kunnen maken, overwegende dat het totale proces ervoor vanaf hetzelfde startpunt in de orde van een dag zou zijn, ' zei Ghidiu.

De beschikbaarheid van de ingrediënten maakt de klei ook aantrekkelijk vanuit een productiestandpunt.

"In staat zijn om een ​​geleidende klei te maken, in wezen uit titaniumcarbide met behulp van een gewoon fluoridezout en zoutzuur is het materiaal dat equivalent is aan het maken van een chocoladekoekje - iedereen heeft deze ingrediënten in de voorraadkast, ’ zei Barsoum.

Maar een vraag die door het meeste materiaalonderzoek van deze aard weerklinkt, is:natuurlijk:wat kan het met een elektrische lading?

Grondig onderzoek van de elektrochemische prestaties van de klei, uitgevoerd door Maria Lukatskaya, een doctoraalstudent geadviseerd door Gogotsi en Barsoum, wat in de krant stond, gaf aan dat het vermogen van de klei om een ​​elektrische lading op te slaan drie keer zo groot is als gerapporteerd voor MXenen geproduceerd door etsen met fluorwaterstofzuur. Dit betekent dat het toepassingen kan vinden in de batterijen die mobiele telefoons van stroom voorzien en auto's starten, of zelfs in een supercondensator die ooit zou kunnen helpen hernieuwbare energiebronnen in een regionaal elektriciteitsnet te passen.

"Houd er rekening mee dat dit de allereerste generatie is van het materiaal dat we aan het testen zijn, " zei Lukatskaya. "We hebben niets gedaan om zijn capaciteiten te vergroten, en bij 900 F/cm3 vertoont het al een hogere capaciteit per volume-eenheid dan de meeste andere materialen. We melden ook dat het niets van zijn capaciteit verliest door meer dan 10, 000 laad-/ontlaadcycli, dus we hebben het hier over een heel bijzondere klomp klei."

Het veranderen van het medium van materiaalwetenschappers van film in klei biedt een verscheidenheid aan nieuwe wegen voor onderzoek en productie. De klei kan in elke vorm worden gegoten. Het kan ook worden verwaterd tot een geleidende verf die binnen enkele minuten uithardt en toch zijn geleidende eigenschappen behoudt. Dit betekent dat het toepassingen kan hebben in batterijen, geleidende transparante coatings en wapening voor oa composieten.

Een elektronenmicroscopisch onderzoek van de kleideeltjes gedispergeerd in water, uitgevoerd door co-auteur Mengqiang Zhao, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Gogotsi, toonde aan dat de klei bestaat uit enkele lagen MXene van ongeveer een nanometer - slechts een paar atomen - dik. Deze atomair dunne structuur geeft aan dat onderzoekers waarschijnlijk zullen ontdekken dat de klei veel aantrekkelijke elektronische en optische eigenschappen heeft naarmate ze er meer over leren.

"We zijn van plan door te gaan met onze studie van dit nieuwe materiaal in de hoop een echt schaalbaar productieproces te ontwikkelen, de kwaliteit en opbrengst van MXene verbeteren en andere MAX-fasen exfoliëren om nieuwe MXenen te produceren, die niet konden worden gesynthetiseerd met behulp van het eerder gebruikte proces - de mogelijkheden lijken eindeloos. Hoewel het er misschien uitziet als een beetje klei, Ik geloof dat deze ontdekking het onderzoek in het veld in de toekomst zal hervormen", zei Barsoum.